Dvimatis lamelinis kristalas, sudarytas iš atomiškai plonų švino jodido (PbI) sluoksnių2) galėtų būti panaudotas gaminant naujos kartos grandines, kurios naudoja šviesą ir mechanines vibracijas (o ne elektronus), kad perduotų informaciją terahercų dažnių diapazone.
Brazilijos energijos ir medžiagų tyrimų centro (CNPEM) mokslininkai, bendradarbiaudami su kolegomis iš Lilio universiteto (Prancūzija) ir kitų tarptautinių institucijų, ištyrė šią technologiją ir paskelbė savo išvadas.Gamtos komunikacijos.
Terahercinė juosta atitinka mažos{0}}energijos elektromagnetinio spektro sritį, esančią tarp infraraudonųjų spindulių ir mikrobangų. Nepaisant to, manoma, kad tai labai svarbu kuriant didelės spartos{2}} komunikacijos technologijas.
„Šiandien Wi{0}}Fi ir 5G veikia kelių gigahercų (GHz, 10) dažniais9hercų). Tačiau yra susidomėjimas pereiti prie šimtų gigahercų ar net terahercų (1012hercų), nes kuo didesnis dažnis, tuo didesnis pralaidumas ir duomenų perdavimo pajėgumas“, – sako Raulis de Oliveira Freitas, Brazilijos sinchrotroninės šviesos laboratorijos (LNLS{0}}CNPEM) Imbuia spindulių linijos vadovas ir tyrimo koordinatorius.
Tyrime buvo tiriama, kaip pagaminti aukštos{0}kokybės sluoksniuotą kristalą, galintį veikti kaip bangolaidis spinduliavimui šiame dažnių diapazone, naudojant švino jodidą – nebrangią medžiagą.
Ši platforma galėtų veikti kaip rezonatorius, kuris riboja šviesą ir parenka tam tikrus dažnius, sustiprindamas tam tikrus virpesių režimus. Jis taip pat gali veikti kaip pluošto skirstytuvas, padalijantis šviesos spindulį į du ar daugiau takų, kad būtų galima paskirstyti optinį signalą, arba kaip moduliatorius, keičiantis šviesos savybes, pvz., intensyvumą, fazę ar dažnį, kad būtų galima koduoti informaciją.
Novatoriškiausias darbo aspektas yra galimybė apriboti šviesą tūriais, daug mažesniais už jos bangos ilgį.
"Terahercų diapazone šviesos bangos ilgis siekia šimtus mikrometrų. Mes darome šią šviesą apriboti submikrometriniais regionais", - aiškina Freitas.
Tai įmanoma dėl fonon{0}}polaritonų susidarymo, kurie yra hibridinės kvazidalelės, sujungiančios kristalų gardelės atomų (fononų) virpesius su šviesa.
"Tarsi fononas būtų aprengtas šviesa, suformuodamas unikalių savybių turinčią kvazidalelę. Šių kvazidalelių sklidimo charakteristikos ir sąveika su medžiaga skiriasi tiek nuo izoliuotos šviesos, tiek nuo izoliuotų fononų", – komentuoja mokslininkas.
Ekstremalus šviesos apribojimas apima veikimą už difrakcijos ribos, o tai riboja įprastų optinių sistemų skiriamąją gebą.
"Klasikinėje optikoje neįmanoma stebėti ar manipuliuoti struktūrų, daug mažesnių už šviesos bangos ilgį. Su poliaritonais mums pavyko įveikti šią ribą", - sako Freitas.
Kad tai pasiektų, mokslininkai naudojo sklaidos{0}}tipo artimojo lauko-optinio lauko skenavimo mikroskopiją (s-SNOM), techniką, kuri naudoja nanoskalės metalinius antgalius, kad itin suspaustų elektromagnetinius laukus.
"Antgalis veikia kaip antena ir sukuria dešimčių nanometrų dydžio elektrinio lauko tašką, neatsižvelgiant į pradinį bangos ilgį. Tai leidžia drastiškai sumažinti erdvinį šviesos mastelį", - sako Freitas.
„Be to, elektrinio lauko tankis s-SNOM zonduose yra iki 105kartų didesnis nei laisvosiose bangose, o tai paaiškina nanofotoninių tyrimų technikos pranašumą. Mes sugebėjome apriboti 200 mikrometrų bangą į mažesnį nei 50 nanometrų tūrį.
Kitas svarbus tyrimo atradimas buvo aukštos kokybės PbI fonono {{0}polaritonų faktorius2. Kokybės koeficientas yra matas, nurodantis, kiek laiko svyravimai išlieka prieš išsisklaidydami.
„Kuo ilgiau sistema svyruoja, tuo didesnis kokybės faktorius.PbI2Palyginti su šešiakampiu boro nitridu (hBN), kuris yra etaloninė medžiaga infraraudonųjų spindulių diapazone“, - sako Freitas.
Paprastas ir tvarus pakaitalas
Skirtingai nuo švino jodido, šešiakampis boro nitridas (hBN) yra itin sunkiai sintezuojama medžiaga, kuriai reikia ypatingo slėgio ir temperatūros sąlygų. Net po daugiau nei du dešimtmečius trukusių tyrimų nedaugelis grupių visame pasaulyje įvaldė aukštos kokybės šios medžiagos gamybą. Be to, dėl savo savybių jis tinka vidutiniam -infraraudonųjų spindulių diapazonui, bet ne terahercų diapazonui.
Kita vertus, švino jodidas turi du nebrangius, natūraliai pasitaikančius pirmtakus: jodą ir šviną. Jį taip pat galima kristalizuoti itin paprastu būdu.
"Tiesiog ištirpinkite druską vandenyje, kol gausite persotintą tirpalą ir pašildykite iki maždaug 80 laipsnių C-, ką galima padaryti ant buitinės viryklės. Vėsinant medžiaga kristalizuojasi, susidaro struktūros, kurias galima surinkti", – sako mokslininkas.
Galimybė manipuliuoti šviesa nanoskalėje atveria kelią integruotoms fotoninėms grandinėms, galinčioms pakeisti arba papildyti elektronines grandines.
"Šiuo metu informacija įrenginiuose perduodama elektronais. Naudojant šviesą galima drastiškai padidinti greitį ir sumažinti nuostolius. Tai analogiška telekomunikacijų sričiai", - sako Freitas.
"Anksčiau naudojome elektros kabelius, šiandien - optines skaidulas, kurios leidžia pasiekti daug didesnį greitį. Tas pats principas gali būti taikomas ir lustų viduje. Be to, be didesnių greičių, sutaupoma ir energijos: šviesa patiria daug mažiau nuostolių nei elektros srovė. Tai gali lemti efektyvesnius ir tvaresnius sprendimus."
